电子信息物理学5.ppt

第五章光电子学和光电子器件,光照射固体，改变电子的运动状态,,,,电子仍在固体内部,,光能转化为电能,（主要）半导体光电效应,,光生伏特效应制成太阳电池 光电导效应制成光电阻 光电流制成光电探测器,Pn结光电二极管PIN 雪崩光电二极管APD 光晶体管,电子逸出固体,,光电效应,,应用,应用,光电倍增管 光电子能谱,化学反应（化学能） 热运动（热能） 光辐射（光能） …… 电子注入（电能）,,电子能级跃迁,,光辐射,,电能转化为光辐射能,半导体光源：发光二极管LED，激光二极管LD,5.1 固体的光发射,固体对光辐射的吸收,光子能量,,光子与晶体相互作用 光子与杂质原子相互作用 光子与缺陷相互作用,光子能量,,产生电子空穴对,,量纲：,,5.1.1 光吸收系数,,固体的复折射率,其中：n为折射率，k为消光系数,假设光波沿x方向传播，则电场强度为：,,,,,,,,典型半导体的吸收系数,,,,量纲：,5.1.2 光吸收过程,光吸收过程主要有：本征吸收（直接吸收、间接吸收）、激子吸收、自由载流子吸收、杂质与缺陷吸收、晶格吸收,1.本征吸收（光子能量,电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴对,价电子直接跃迁,价电子间接跃迁,A. 直接跃迁,导带最小值和价带最大值对应于相同的波失,,直接带隙半导体（如GaAs、InP）,能量守恒：,,动量守恒：,,电子的德布罗意波长一般为nm量级 光子的波长为亚um量级,,光子动量,一般很小,,B. 间接跃迁,导带最小值和价带最大值对应于的波失不同,,间接带隙半导体（如Ge、Si、GaP）,能量守恒：,动量守恒：,,声子能量,声子动量,“＋”表示吸收一个声子，“－”表示发射一个声子,2.2激子吸收,（光子能量,电子从价带跃迁到禁带中的某些能态上（例如杂质、缺陷）,,库仑力,产生电子－空穴束缚系统,,电中性的激子（exciton：一种激发的电子能量状态）,,双粒子体系（准粒子）,,激子能够在固体中运动，但不传导电流,激子（在固体中运动，但不传导电流）,,,,数个晶格常数,数百个晶格常数,电子－空穴间距,紧束缚系统,松束缚系统,激子,,,,再激励,导带电子和价带空穴,传导电流,复合,激子消失，产生能量辐射（发光）,光照射固体,，吸收能量，产生激子,,能量从晶体一处输运到另一处，没有电流,,电子－空穴复合,光辐射,3. 自由载流子吸收：,光照射固体（波长较长）,,导带电子吸收光能量 价带空穴吸收光能量,,载流子在能带内部跃迁吸收,,自由载流子吸收,动量守恒：光子动量很小，电子动量改变由声子或电离杂质的散射补偿,4. 杂质与缺陷吸收,光照射固体（波长较长）,,束缚在杂质或者缺陷上的电子或者空穴吸收光子能量,,光子能量大于等于杂质电离能,电子跃迁到导带 空穴跃迁到价带,5. 晶格吸收,光照射固体（波长较长）,,晶格吸收光子能量,,晶格振动（声子）吸收峰 光子能量直接转换为声子动能,5.1.3 电子－空穴对的产生速率,,半导体吸收光子能量产生电子－空穴对：,光子能量：,光强:,1个光子能产生1个电子空穴对,产生电子－空穴对的速率为：,光子通量为：,5.2 pn结光生伏特效应和太阳能电池,5.2.1 基本原理,光照：,产生电子空穴对,,pn结势垒VD,p区产生光生电子进入n区，在n区边界积累 n区产生光生空穴进入p区，在p区边界积累,,在pn结建立光生电 动势（电压）V与 内键电场方向相反,pn结光生电动势（电压）V,,pn结势垒降低VD-V,,光生电流IL,,光照恒定,接通外电路,负载电流I,,pn结光生伏特效应,,故太阳光能照射在一些特殊材料上，会引起材料中电子的移动，形成电势差。

太阳能光伏发电，就是依据这个原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能,5.2.2 光电池的I-V特性,光照：,产生电子空穴对,,光生电流IL（pn结反偏方向）,,外电路产生电压V,,对pn结正偏,用肖克莱方程,（pn结正偏方向）,,净电流,pn结反偏方向,,,,,短路电流：,开路电压：,消耗在负载上的功率为：,,最大功率,,,,,,填充因子：,5.2.3 太阳电池的光电转换效率,,太阳电池的光电转换效率 最大输出的电功率Pout与输入的光功率Pin之比,太阳电池的热力学极限效率为32%,太阳辐射谱：,主要波长范围在0.3μm到1.5 μm，峰值约在0.5 μm,太阳光,,通过大气层,照射地面,,水汽、尘埃 等漫射,辐射能量密度下降,,大气质量AMm： 太阳光通过的空气质量 （大气层吸收太阳光的程度）,大气质量AMm： 大气层外m＝0：AM0 太阳垂直于海平面（正午）m＝1：AM1 其他情况m＝1/sin >1: Amm, 为天顶角 M增加，太阳光通过大气层的厚度增加,,大气对太阳的辐射吸收愈加严重,,到达地面的太阳辐射功率愈加小,,大气质量示意图,用大透镜把阳光聚焦到太阳电池上，使入射光强提高数百倍,,阳光浓度C：,ISC与C成正比 VOC随C增大稍有增大,,他＝300K太阳电池的理想效率与Eg的关系,5.2.4 非均匀吸收效应,,光照半导体表面,,光强：,光子在表面的反射率R,单位时间、单位体积、从表面向内，半导体吸收的光子数目：,,,,1个光子能产生1个电子－空穴对,半导体吸收能量产生电子－空穴对的速率为：,,5.2.5 新结构Si太阳电池,,常规太阳电池结构：,大面积的pn结、叉指状电极,,增透膜,,提高接收太阳光的面积,减少阳光反射,,,提高转换效率,绒面太阳电池,太阳电池,,表面作成绒面或者V形槽,表面反射率减低至20%,,半导体表面涂增透膜,表面反射率降至百分之几,,5.2.6 异质结、肖特基势垒、MIS太阳电池,GaAs异质结太阳电池 GaAs的Eg比Si与太阳光谱匹配好 可以得到较高的转换效率,,GaAs－pn结太阳电池,,入射光子大多在 表面层被吸收,在GaAs－pn结上加上AlGaAs宽带隙材料,,光学窗口作用：,,，光子穿过宽带隙材料进入窄带隙材料被吸收,,,晶格常数：0.5654nm （GaAs）0.5660nm （AlAs） （AlxGa1-xAs 与GaAs晶格常数匹配很好，失配率<0.1061 %,Al成分增加（x增加）,,AlxGa1-xAs的Eg1增加,,光学窗口作用增加,ITO（氧化铟锡）导电玻璃太阳电池ITO导电玻璃具有导电性和高透光性,,增透膜作用 氧化物半导体混合物作为异质结的一部分,,导电玻璃也可构成异质结太阳电池 例如：p－ITO/n-Si太阳电池,MIS太阳电池金属－薄绝缘层－半导体（MIS）,,隧道电流,MIS太阳电池的绝缘层2nm时， VOC和效率有明显的增加 避免扩散pn结光电池的热扩散晶体损伤 半导体和金属之间的绝缘层是透明的介质（增透作用）,肖特基势垒太阳电池,光子被金属吸收，激发空穴,,金属层须足够薄,空穴越过势垒进入半导体： 短波长光子在耗尽层吸收,短波长光子在半导体吸收,,产生电子－空穴对 扩散至耗尽层边缘收集,肖特基势垒太阳电池的优点,不必经过高温扩散，制作温度低 适用于多晶硅和薄膜太阳电池 收集势垒接近表面，增强了抗辐射性能 薄金属减少表面复合,单晶硅太阳能电池转换效率是最高的(德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。

通过技术改进制得的电池转化效率超过23%，是大值可达23．3％国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到19.79%，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表薄膜太阳电池,单晶硅太阳电池的问题：直径限于15cm；成本高,,非晶薄膜,价廉、大面积多晶硅和非晶硅太阳电池 多晶和非晶半导体（例如CdS、Si、GaAs、InP、CdTe）,,在玻璃、塑料、陶瓷、金属、石墨或硅片上形成非晶薄膜,,,非晶薄膜太阳电池,成本低、大功率 效率低、不很稳定,非晶薄膜太阳电池薄膜厚度：,透入深度：光吸收系数的倒数,<薄膜厚度,<载流子扩散长度,,充分吸收入射光,,,有效收集光生载流子,5.3太阳能电池的发展趋势,III-V族化合物及CIS等作为太阳能电池的材料,由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。

纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电地存在的问题，它们的研究刚刚起步，技术不是很成熟，转换效率还比较低，这两类电池还处于探索阶段，短时间内不可能替代应系太阳能电池从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品2008年全球及中国薄膜太阳能电池产业深度研究报告指出2004年德国光伏补贴政府引爆了光伏产业，光伏产业强势需求造就了多晶硅原料企业的超高利润，而2007年美国First Solar的亮丽表现则带来了薄膜产业的新纪元，1.3美元/瓦的低成本，11%左右的转换率，欧洲北美的巨额订单，不受原料限制的大规模生产成就了First Solar的高利润，高收入，高可靠的盈利预期，也促使业界发现属于薄膜时代的来临；在过去的2007年和现在的2008年，全球光伏产业最为火热的环节就是薄膜领域，不断有新的项目发布或者投产，有限的设备公司订单已经排到1年以后，而且新增订单不断，除了美国First Solar,日本夏普也开始大规模投入薄膜领域，而德国的Q-CELL 肖特等也大力投入薄膜事业，台湾几乎瞬间投入了超过10个薄膜项目，国内的非晶硅龙头拓日新能源顺利上市，新澳集团高调介入等等都显示薄膜正在吸引越来越多的资本和关注；薄膜自身的发电优势和低成本也将会是下降光伏发电成本的一大主要驱动力；尽管短期内晶硅电池依然会是主流，但长远来说，不排除薄膜才是光伏发电成本媲美传统能源的英雄。

5.3 非增益型半导体光电探测器,半导体光电探测器是将光能转化为电能的光电器件 主要应用于检测光信号,半导体光电探测器：,非增益型光电探测器,光电二极管（photodiode：pn结型、PIN型、肖特基型） 光电导探测器（photocomductor）,增益型光电探测器,雪崩光电二极管（avalanche photodiode：APD） 光晶体管（optical transistor）,5.3.1 基本原理,载流子在耗尽区漂移,（空穴向p区漂移，电子向n区漂移）,,,,,,电子与空穴复合,,电流减少,光（信号）电流,,电流增加,总电流,pn结,,反向偏置 无光照,暗电流,,噪声电流,,电流增加,,5.3.2 主要参数 1. 量子效率,量子效率η ：入射光子产生（有效）电子－空穴对的能力 η ＝（光生“电子－空穴对”数目）/（入射光子数目）＝（电功率/单电子能量）/（光功率/单光子能量）,,平均输出光电流,P：平均入射光功率 量子效率η ：无量纲,2. 响应度,响应度R：光电转换效率,R＝平均输出光电流/平均输入射光功率,,,量纲[R]= V-1或μA/μW,3. 频率响应与响应时间,响应时间,光生载流子渡越耗尽层的漂移时间tr 光生载流子扩散到耗尽层边界的的扩散时间td 结电容与负载电阻电路的时间常数tRC,光生载流子,,,,耗尽层内,饱和漂移速度Vs=106～107 cm/s 耗尽层宽度约10－3 cm 漂移时间tr约为10－9～10－10 s,耗尽层外,扩散到耗尽层边界 在中性区内扩散 扩散时间td约为10－6s,,,,td>>tr,,光生载流子在耗尽层内产生,减少p区和n区宽度，增加耗尽层宽度,,PIN管,,提高响应速度,,光电探测器的宏观响应时间 脉冲从10%升到90%所占时间为上升时间tr 脉冲从90%下降到10%所占时间为下降时间tf,。